CN109802290A - 基于同步锁模的中红外超短脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同步锁模的中红外超短脉冲光纤激光器，包括泵浦源、泵浦光准直镜、二色镜、泵浦激光聚焦镜、有源增益光纤、无源非线性光纤、激光准直镜及激光耦合输出镜；其中，泵浦源用于提供泵浦光，且重复频率可调；上述泵浦光在输入有源增益光纤后，对有源增益光纤进行泵浦，产生激光，该泵浦光脉冲在通过有源增益光纤和无源非线性光纤的过程中，对产生的激光进行同步交叉相位调制，并结合增益调制产生与泵浦光重复频率一致的同步锁模中红外超短脉冲，最后由激光耦合输出镜输出。相较于现有技术而言，本发明不需要在在光纤谐振腔中引入调制器或可饱和吸收体即可产生同步锁模中红外超短脉冲，实用性较高。

Description

基于同步锁模的中红外超短脉冲光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光技术领域，尤其涉及一种基于同步锁模的中红外超短脉冲光纤激光器。

背景技术

由于具有很短的脉宽和很高的峰值功率，3-5μm波段的中红外超短脉冲激光器不仅具有中红外激光器的光谱学应用优势，而且拥有超快时域和高强功率应用优势，已经成为聚合物材料的激光加工、激光手术、激光红外对抗等领域的重要光源。

当前中红外脉冲光纤激光器的实现技术主要有调Q、增益开关、主动锁模和被动锁模技术。调Q和增益开关技术分别是对激光器的损耗和增益进行调制，进而产生重频频率可调的微秒-纳秒脉冲。主动锁模和被动锁模技术分别是引入主动调制器和可饱和吸收体对谐振腔内激光幅度和损耗等参数进行周期性调制，调制频率与谐振腔基频同步，从而产生固定重频的纳秒-皮秒-飞秒锁模脉冲。虽然锁模技术可以实现超短脉冲的产生，但是需要在光纤谐振腔中引入调制器或可饱和吸收体，而由于在3.2μm以上中红外波段的半导体可饱和吸收体尚不成熟，而黑磷等新型二维材料可饱和吸收体受到易氧化潮解或损伤阈值低等诸多材料固有限制，难以长时期实用化稳定运转，这也影响了中红外超短脉冲光纤激光器的实验室科研化应用。

发明内容

本发明提供了一种基于同步锁模的中红外超短脉冲光纤激光器，可以解决现有技术中的中红外超短脉冲光纤激光器实用性不高的技术问题。

具体的，本发明所提供的基于同步锁模的中红外超短脉冲光纤激光器，包括泵浦源、泵浦光准直镜、二色镜、泵浦激光聚焦镜、有源增益光纤、无源非线性光纤、激光准直镜、隔离器及激光耦合输出镜；所述有源增益光纤和无源非线性光纤通过特种光纤熔接机进行熔接；所述隔离器位于所述二色镜与所述激光耦合输出镜之间；

所述泵浦源用于提供脉冲泵浦光，且所述泵浦源的重复频率与谐振腔基频相同或为谐振腔基频的整数倍；

所述泵浦光依次经过所述泵浦光准直镜、所述二色镜及所述泵浦激光聚焦镜后，输入所述有源增益光纤；

所述泵浦光在输入所述有源增益光纤后，对所述有源增益光纤进行泵浦，产生激光，同时进行增益调制；

所述无源非线性光纤用于在增强腔内非线性效应的同时改变腔内净色散，产生适合于高功率放大的耗散孤子锁模脉冲或基态孤子超短锁模脉冲；

所述泵浦光在通过所述有源增益光纤和无源非线性光纤的过程中，对所产生的激光进行同步交叉相位调制，并结合所述增益调制产生和泵浦光重复频率一致的同步锁模中红外超短脉冲；

所述同步锁模中红外超短脉冲经过所述激光准直镜后，通过所述激光耦合输出镜输出。

优选地，还包括包层功率剥离器，所述包层功率剥离器设置于所述有源增益光纤与所述无源非线性光纤的熔接点处，用于剥除在泵浦时的剩余泵浦光，同时剥除所述有源增益光纤和所述无源非线性光纤由于模场失配而导致的包层泄露光。

优选地，所述泵浦源包括具有预设波段的激光器，或包括由多个激光器通过二色镜、合束器合光形成的单个或多个波段泵浦。

优选地，还包括光纤输入端帽与光纤输出端帽，所述光纤输入端帽位于所述有源增益光纤的输入端，所述光纤输出端帽位于所述无源非线性光纤的输出端。

优选地，所述有源增益光纤采用双包层或单包层的掺杂氟化物光纤，且包括掺铒、掺钬以及掺镝。

优选地，所述无源非线性光纤采用单包层、小模场、高非线性氟化物光纤和硫化物光纤级联。

本发明所提供的基于同步锁模的中红外超短脉冲光纤激光器，包括泵浦源、泵浦光准直镜、二色镜、泵浦激光聚焦镜、有源增益光纤、无源非线性光纤、激光准直镜及激光耦合输出镜；其中，泵浦源用于提供泵浦光，且重复频率可调；上述泵浦光在输入有源增益光纤后，有源增益光纤会进行泵浦，产生激光脉冲，该泵浦光脉冲在通过有源增益光纤和无源非线性光纤的过程中，对产生的激光进行同步交叉相位调制，并结合增益调制产生与泵浦光重复频率一致的同步锁模中红外超短脉冲，最后由激光耦合输出镜输出。相较于现有技术而言，本发明不需要在在光纤谐振腔中引入调制器或可饱和吸收体即可产生同步锁模中红外超短脉冲，实用性较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于同步锁模的中红外超短脉冲光纤激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例中基于同步锁模的中红外超短脉冲光纤激光器的另一结构示意图；

图3为本发明实施例中有源增益光纤进行泵浦时的能级跃迁示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明采用重复频率可调的泵浦源，对包含泵浦光准直镜、二色镜、泵浦激光聚焦镜、有源增益光纤、无源非线性光纤、激光准直镜及激光耦合输出镜及隔离器等中红外光学器件在内的中红外环型腔激光器进行同步泵浦，利用同步增益调制及交叉相位调制效应实现中红外超短脉冲光纤激光器。

请参阅图1，图1为本发明实施例中基于同步锁模的中红外超短脉冲光纤激光器的结构示意图，本实施例中，上述中红外超短脉冲光纤激光器包括泵浦源101、泵浦光准直镜102、二色镜103、泵浦激光聚焦镜104、有源增益光纤105、无源非线性光纤106、激光准直镜107及激光耦合输出镜108及隔离器1012；其中，有源增益光纤105和无源非线性光纤106通过特种光纤熔接机进行熔接；隔离器1012位于二色镜103与激光耦合输出镜108之间。

泵浦源101用于提供976nm的泵浦光，且泵浦源101的重复频率与谐振腔基频相同或为谐振腔基频的整数倍；上述泵浦光在经过泵浦光准直镜102、二色镜103及泵浦激光聚焦镜104后，输入有源增益光纤105，对有源增益光纤105进行包层泵浦，产生激光，同时进行增益调制。

无源非线性光纤106由无源非线性氟化物光纤和硫化物光纤级联，用于在增强腔内非线性效应的同时改变腔内净色散，从而可以产生适合于高功率放大的耗散孤子锁模脉冲或基态孤子超短锁模脉冲；

上述泵浦光从有源增益光纤105传输至无源非线性光纤106的过程中，对所产生的激光进行同步交叉相位调制，并结合增益调制产生和泵浦光重复频率一致的2.8μm同步锁模中红外超短脉冲；该2.8μm同步锁模中红外超短脉冲经过激光准直镜107后，通过激光耦合输出镜108输出。其中，激光耦合输出镜108可以采用对激光波长具有一定反射率的介质膜。

其中，隔离器1012用于隔离由光学器件、光纤熔接点、光纤端面等引起的反射光，保证激光的单向传输，避免腔内激光的自激振荡。

进一步的，上述中红外超短脉冲光纤激光器还包括包层功率剥离器109，包层功率剥离器109设置于有源增益光纤105与无源非线性光纤106的熔接点处，用于剥除在泵浦时的剩余泵浦光，或剥除有源增益光纤105和无源非线性光纤106由于模场失配而导致的包层泄露光。

具体的，可以利用石墨电极光纤熔接机对有源增益光纤105与无源非线性光纤106进行熔接，并在光纤熔接点处制备包层功率剥离器109。

进一步的，上述中红外超短脉冲光纤激光器还包括光纤输入端帽1010与光纤输出端帽1011，光纤输入端帽1010位于有源增益光纤105的输入端，光纤输出端帽1011位于无源非线性光纤106的输出端。其中，光纤输入端帽1010与光纤输出端帽1011主要用于避免无源非线性光纤106输出端的端面菲涅耳反射对整个光路系统的影响。

可以理解的是，上述中红外超短脉冲光纤激光器属于中红外环型腔超短脉冲光纤激光器。

进一步的，基于上述实施例，本发明中，泵浦源101包括具有预设波段的激光器，也包括由多个激光器通过二色镜、合束器合光形成的单个或多个波段泵浦。具体请参阅图2，图2为本发明实施例中基于同步锁模的中红外超短脉冲光纤激光器的结构示意图，本实施例中，上述中红外超短脉冲光纤激光器包括第一泵浦源101a、第二泵浦源101b、第一泵浦光准直镜102a、第二泵浦光准直镜102b、第一二色镜103a、第二二色镜103b、泵浦激光聚焦镜104、有源增益光纤105、无源非线性光纤106、激光准直镜107及激光耦合输出镜108及隔离器1012；其中，第一泵浦源101a用于提供976nm的第一泵浦光，第二泵浦源101b用于提供1973nm的第二泵浦光，且第二泵浦光的重复频率可调；上述第一泵浦光经过第一泵浦光准直镜102a与第一二色镜103a后，与经过第二泵浦光准直镜102b与第一二色镜103a的第二泵浦光合并为目标泵浦光，该目标泵浦光经过第二二色镜103b及泵浦激光聚焦镜104后，输入有源增益光纤105，有源增益光纤105利用上述目标泵浦光进行泵浦，产生激光脉冲；该激光脉冲从有源增益光纤105传输至无源非线性光纤106的过程中，则会进行交叉相位调制，并产生3.5μm同步锁模中红外超短脉冲；该3.5μm同步锁模中红外超短脉冲经过激光准直镜107后，通过激光耦合输出镜108输出。其中，激光耦合输出镜108可以采用对激光波长具有一定反射率的介质膜。

其中，第一泵浦源101a包括光纤耦合多模半导体激光器，第二泵浦源101b包括重复频率可调的脉冲光纤激光器。

本实施例中，第一泵浦光与第二泵浦光在输入有源增益光纤105后，976nm的第一泵浦光会对有源增益光纤105进行泵浦，将有源增益光纤105中的Er³⁺离子从基态激发到具有长能级寿命的⁴I_11/2亚稳态，作为3.5μm激光产生的虚拟基态；Er³⁺离子通过1973nm的第二泵浦光，在⁴I_11/2虚拟基态能级和⁴F_9/2激光上能级之间进行循环，从而在⁴F_9/2激光上能级和⁴F_9/2激光下能级之间产生3.5μm激光跃迁。通过调节1973nm泵浦光的重复频率与激光器基频相等或是其整数倍，由于3.5μm激光跃迁具有较短的上能级寿命。有利于实现同步增益调制。此外，又由于高峰值功率的1973nm脉冲激光在有源增益光纤105与无源非线性光纤106中传输时会引起非线性克尔效应，将会对产生的3.5μm激光进行交叉相位调制，然后在同步增益调制和交叉相位调制二者共同作用下，产生3.5μm同步锁模脉冲。同时，通过改变无源非线性光纤106中的氟化物光纤和硫化物光纤长度，控制激光腔净色散，在净色散为正时获得易于功率放大的耗散孤子锁模脉冲，在低负色散时获得基态孤子超短锁模脉冲。

为了更好的理解本发明实施例，参照图3，图3为本发明实施例中有源增益光纤进行泵浦时的能级跃迁示意图。

其中，在上述实施例中，有源增益光纤105可以采用光谱吸收峰在泵浦激光波长处的、双包层或单包层的掺杂氟化物光纤，包括掺铒(Er)、掺钬(Ho)以及掺镝(Dy)。无源非线性光纤106采用单包层、小模场、高非线性氟化物光纤和硫化物光纤级联。

另外，第二泵浦源101b中的脉冲光纤激光器可以是基于增益开关、半导体激光种子源的主振荡光纤功率放大系统，或是基于相位延迟、被动锁模种子源的光纤放大系统。

上述中红外超短脉冲光纤激光器的谐振腔可以是刻写在有源增益光纤105输入端和无源非线性光纤106输出端、且位于中红外激光波长处的光纤布拉格光栅。

具体的，在有源增益光纤105的输入端和无源非线性光纤106的输出端制作避免端面反射的光纤输入端帽1010与光纤输出端帽1011。利用第一泵浦光准直镜102a与第二泵浦光准直镜102b对第一泵浦光与第二泵浦光分别进行准直，然后再通过一个对976nm激光高透射、对1973nm激光高反射的45度第一二色镜103a进行合光，进而再经过一个对976nm和1973nm泵浦光都是高透射、对3.5μm激光高反射的45度第二二色镜103b，以及经过一个对976nm和1973nm泵浦光、3.5μm激光都增透的泵浦激光聚焦镜104后，耦合到有源增益光纤105的输入端的光纤输入端帽1010中，进行双波段泵浦。

进一步地，通过对3.5μm激光增透的激光准直镜107，对3.5μm激光进行准直，并通过45度放置的对3.5μm反射为30％的激光耦合输出镜108、隔离器1012、以及第二二色镜103b后，耦合输入到有源增益光纤105的输入端，从而形成3.5μm环形腔激光器。其中，在1973nm脉冲激光泵浦下，通过同步增益调制和交叉相位调制效应的联合作用，即可生成同步锁模中红外超短脉冲，实现3.5μm同步锁模脉冲激光器。

其中，由于有源增益光纤105和无源非线性光纤106的材料折射率不同，会导致光纤熔接点处的菲涅尔反射，但由于环形腔中隔离器1012的存在，可以保证激光单向传输，因此可以降低熔接点处菲涅尔反射对整个光路系统的影响。

本实施例中，可以通过分别控制有源增益光纤105和无源非线性光纤106的长度，来调控腔内色散，从而实现不同类型的3.5μm同步锁模脉冲。

本实施例中，通过一种基于增益调制和交叉相位调共同作用的同步锁模技术，实现中红外同步锁模光纤激光器。克服了基于谐振腔内引入调制器或可饱和吸收体的传统主被动锁模技术在中红外波段的诸多限制，同时引入氟化物光纤和硫化物光纤调节腔内色散以满足不同应用需求，可以实现适合于高功率放大的中红外耗散孤子锁模脉冲或基态孤子飞秒超短锁模脉冲，有利于其实际应用。

本发明实施例所提供的技术方案可以应用且不限于：基于氟化物ZBLAN光纤的2.8μm掺Er、3.2μm掺Dy、3.5μm掺Er、以及3μm掺Ho等中红外超短脉冲光纤激光器。

上述实施例所提供的中红外超短脉冲光纤激光器，包括泵浦源、泵浦光准直镜、二色镜、泵浦激光聚焦镜、有源增益光纤、无源非线性光纤、激光准直镜及激光耦合输出镜；其中，泵浦源用于提供泵浦光，且泵浦源的重复频率可调；上述泵浦光在输入有源增益光纤后，有源增益光纤会进行泵浦，产生激光脉冲，该激光脉冲从有源增益光纤传输至无源非线性光纤的过程中，进行交叉相位调制，并产生同步锁模中红外超短脉冲，最后由激光耦合输出镜输出。相较于现有技术而言，本发明采用重复频率可调的泵浦源，泵浦位于有源增益光纤，不需要在在光纤谐振腔中引入调制器或可饱和吸收体，而只需要在有源增益光纤熔接一段无源非线性光纤，利用同步增益调制及交叉相位调制，即可产生同步锁模中红外超短脉冲，实现中红外超短脉冲光纤激光器，实用性较高。

以上为对本发明所提供的一种基于同步锁模的中红外超短脉冲光纤激光器的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于同步锁模的中红外超短脉冲光纤激光器，其特征在于，包括泵浦源、泵浦光准直镜、二色镜、泵浦激光聚焦镜、有源增益光纤、无源非线性光纤、激光准直镜、隔离器及激光耦合输出镜；所述有源增益光纤和无源非线性光纤通过特种光纤熔接机进行熔接；所述隔离器位于所述二色镜与所述激光耦合输出镜之间；

所述泵浦源用于提供泵浦光，且所述泵浦源的重复频率与谐振腔基频相同或为谐振腔基频的整数倍；

所述泵浦光依次经过所述泵浦光准直镜、所述二色镜及所述泵浦激光聚焦镜后，输入所述有源增益光纤；

所述泵浦光在输入所述有源增益光纤后，对所述有源增益光纤进行泵浦，产生激光，同时进行增益调制；

所述无源非线性光纤用于在增强腔内非线性效应的同时改变腔内净色散，产生适合于高功率放大的耗散孤子锁模脉冲或基态孤子超短锁模脉冲；

所述泵浦光在通过所述有源增益光纤和无源非线性光纤的过程中，对所产生的激光进行同步交叉相位调制，并结合所述增益调制产生和泵浦光重复频率一致的同步锁模中红外超短脉冲；

所述同步锁模中红外超短脉冲经过所述激光准直镜后，通过所述激光耦合输出镜输出。

2.如权利要求1所述的中红外超短脉冲光纤激光器，其特征在于，还包括包层功率剥离器，所述包层功率剥离器设置于所述有源增益光纤与所述无源非线性光纤的熔接点处，用于剥除在泵浦时的剩余泵浦光，同时剥除所述有源增益光纤和所述无源非线性光纤由于模场失配而导致的包层泄露光。

3.如权利要求1所述的中红外超短脉冲光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源包括具有预设波段的激光器，或包括由多个激光器通过二色镜、合束器合光形成的单个或多个波段泵浦。

4.如权利要求1所述的中红外超短脉冲光纤激光器，其特征在于，还包括光纤输入端帽与光纤输出端帽，所述光纤输入端帽位于所述有源增益光纤的输入端，所述光纤输出端帽位于所述无源非线性光纤的输出端。

5.如权利要求1所述的中红外超短脉冲光纤激光器，其特征在于，所述有源增益光纤采用双包层或单包层的掺杂氟化物光纤，包括掺铒、掺钬以及掺镝。

6.如权利要求1所述的中红外超短脉冲光纤激光器，其特征在于，所述无源非线性光纤采用单包层、小模场、高非线性氟化物光纤和硫化物光纤级联。